1 000 MW機(jī)組煙囪石膏雨的研究

許 靜， 段鈺鋒， 馮琰磊， 孫堅(jiān)榮

(1. 東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210096；2. 華東電力設(shè)計(jì)院， 上海 200063； 3. 上海電力學(xué)院， 上海 200090)

環(huán)保技術(shù)

1 000 MW機(jī)組煙囪石膏雨的研究

許 靜1， 段鈺鋒1， 馮琰磊2， 孫堅(jiān)榮3

(1. 東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210096；2. 華東電力設(shè)計(jì)院， 上海 200063； 3. 上海電力學(xué)院， 上海 200090)

為研究“石膏雨”產(chǎn)生的原因并消除該現(xiàn)象，針對某1 000 MW電廠的運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算了不同環(huán)境溫度、不同機(jī)組負(fù)荷下煙囪內(nèi)的冷凝液量，得出較高負(fù)荷和較低環(huán)境溫度會(huì)使煙囪內(nèi)生成更多的冷凝液量。計(jì)算了采用管式GGH裝置的煙囪不發(fā)生白煙的煙氣排放溫度，分析得出白煙現(xiàn)象的發(fā)生溫度受環(huán)境溫度的影響很大，冬季要解決白煙問題除GGH裝置外還需引入其他熱源。

火電機(jī)組； 石膏雨； 濕煙囪； 冷凝液量； 白煙

Abstract： To research the formation mechanism of “gypsum rain” and eliminate the phenomenon, the volume of condensate water in wet chimney of a 1 000 MW coal-fired plant at different unit loads and environment temperatures was calculated according to the operating parameters. Results illustrate that more condensate water would be generated at higher loads and lower environment temperatures. The exhaust temperature at which vapor plume phenomenon shall not occur was also calculated when tubular GGH device is installed. Results show that the occurrence of vapor plume is significantly affected by ambient temperatures; besides GGH device, extra heat sources should be introduced to solve this problem in winter.

Keywords： coal-fired plant； gypsum rain； wet chimney； condensate water； vapor plume

我國300 MW以上的火電機(jī)組基本上都采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫(WFGD)技術(shù)。石灰石-石膏濕法脫硫吸收塔出口煙氣溫度在45～60 ℃，煙囪排煙溫度較低，屬于濕飽和狀態(tài)，容易出現(xiàn)夾帶石膏漿液的情況，導(dǎo)致正常天氣情況下，電廠周圍地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)降下小液滴的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為“石膏雨”現(xiàn)象[1-2]。含有一定量的 SO2、SO3及石膏漿液的小液滴呈酸性，會(huì)對電廠附近的設(shè)備、設(shè)施和建筑物造成一定的腐蝕損害，對電廠的正常運(yùn)行和周圍居民的生活產(chǎn)生了很大的影響[3]。在煙囪內(nèi)未冷凝的酸性液體，擴(kuò)散到大氣中就會(huì)形成“石膏雨”。為研究及分析白煙和“石膏雨”的生成規(guī)律，并提出防治措施，筆者對某電廠1 000 MW機(jī)組在不同負(fù)荷、不同環(huán)境溫度下煙囪內(nèi)的冷凝液量和采用管式GGH裝置后不發(fā)生白煙的溫度進(jìn)行了計(jì)算。通過對“石膏雨”形成的研究找出解決方案，以減少環(huán)境污染。

1 “石膏雨”的形成機(jī)理

1.1 形成因素

“石膏雨”主要來自煙氣中未除凈的液滴和冷凝水。形成“石膏雨”現(xiàn)象的原因主要有三個(gè)方面[4-5]：

(1) 凈煙氣的特性。經(jīng)過濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的煙氣會(huì)攜帶大量的液滴，煙氣在排入大氣的過程中，溫度會(huì)不斷降低，濕飽和蒸汽區(qū)的煙氣會(huì)不斷生成冷凝液，這是“石膏雨”形成的最根本原因。

(2) 煙囪的結(jié)構(gòu)形式。煙囪的高度、煙囪壁面的平整程度、煙囪的內(nèi)襯材料，以及導(dǎo)流板的布置等都會(huì)對“石膏雨”的形成產(chǎn)生很大影響。

(3) 環(huán)境的氣象條件。主要指環(huán)境溫度、相對濕度和大氣壓力，這些因素是形成“石膏雨”現(xiàn)象的外部原因。

1.2 解決方法

針對“石膏雨”形成的原因，需要在 WFGD 的設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中充分考慮煙氣通過吸收塔后凈煙氣溫度、水分含量，采取改進(jìn)措施[6-7]。一方面可增強(qiáng)除霧效果、減少煙氣中的霧滴攜帶，除霧器設(shè)計(jì)上需對入口煙氣量與設(shè)計(jì)參數(shù)的偏差、煙氣流速的大小、除霧器的選型等方面進(jìn)行充分考慮，合理布置除霧器，減少煙氣對液滴的夾帶量；另一方面可提高煙溫，合理地布置煙氣加熱裝置，強(qiáng)化煙氣的抬升和擴(kuò)散，減弱甚至消除火電廠周邊區(qū)域的“石膏雨”現(xiàn)象。

2 脫硫系統(tǒng)和煙氣系統(tǒng)

2.1 脫硫系統(tǒng)

煙氣脫硫設(shè)備采用石灰石-石膏濕法、一爐一塔脫硫裝置。脫硫率在設(shè)計(jì)煤種BMCR工況下不小于95%。每套煙氣脫硫裝置的出力在鍋爐BMCR工況的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，脫硫系統(tǒng)處理的煙氣體積流量872 m3/s(濕態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)狀況、鍋爐設(shè)計(jì)煤種)最小可調(diào)能力與單臺(tái)爐不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷(30% BMCR工況，燃用設(shè)計(jì)煤種的煙氣流量)相適應(yīng)；煙氣脫硫裝置應(yīng)能在鍋爐BMCR工況下進(jìn)煙溫度加10 K裕量條件下安全連續(xù)運(yùn)行。脫硫效率按設(shè)計(jì)煤種100% BMCR工況下不低于95%設(shè)計(jì)。脫硫系統(tǒng)設(shè)置100%煙氣旁路，不設(shè)置GGH。

2.2 煙氣系統(tǒng)

煙氣系統(tǒng)的流程為：鍋爐爐膛產(chǎn)生煙氣→脫硝SCR反應(yīng)器→空氣預(yù)熱器→除塵器→引風(fēng)機(jī)→脫硫增壓風(fēng)機(jī)→脫硫吸收塔→煙囪。每臺(tái)鍋爐配備兩臺(tái)50%容量的靜葉可調(diào)引風(fēng)機(jī)和兩臺(tái)50%容量的動(dòng)葉可調(diào)增壓風(fēng)機(jī)，用于克服煙氣在鍋爐煙氣系統(tǒng)及WFGD裝置系統(tǒng)內(nèi)造成的煙氣壓降。引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)串聯(lián)布置，均設(shè)計(jì)在WFGD裝置進(jìn)口原煙氣側(cè)高溫?zé)煔鈧?cè)運(yùn)行。

2.3 煤種分析和鍋爐性能

設(shè)計(jì)煤種的工業(yè)分析及元素分析見表1，鍋爐性能見表2。

表1 設(shè)計(jì)煤種的工業(yè)分析及元素分析

表2 鍋爐性能

3 煙囪冷凝液量

3.1 計(jì)算過程

3.1.1 煙囪溫降

根據(jù)文獻(xiàn)[8]進(jìn)行煙囪溫降的計(jì)算。

(1) 煙囪的熱力學(xué)溫降Δθth。

煙氣在煙囪中上升流動(dòng)過程中，因海拔高度降低所產(chǎn)生的溫降為熱力學(xué)溫降Δθth。

(1)

式中：H為煙囪排煙筒幾何高度，m；θgs為煙囪入口煙氣溫度， ℃。

(2) 煙囪的散熱溫降Δθh。

以傳熱學(xué)方程的計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)，也可按經(jīng)驗(yàn)公式近似地估算。

① 經(jīng)驗(yàn)公式。

(2)

式中：A為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對磚排煙筒A=0.2(大型)，A=0.4(小型)，對于鋼內(nèi)筒A=0.8(有內(nèi)襯)，A=2(無內(nèi)襯)；D為所有接入該煙囪鍋爐的額定蒸發(fā)量總和，t/h；β為煙囪的負(fù)荷率，在火力發(fā)電廠大氣污染物排放計(jì)算中，取β=1.0。

② 傳熱學(xué)方法。

將煙囪簡化為等直徑的圓柱形管道，假設(shè)鋼表面的溫度，算出鋼外表面與環(huán)境的換熱Q1后，可根據(jù)傳熱量等于煙氣進(jìn)出口總焓值的變化算出煙氣在煙囪出口處的溫度，進(jìn)而算出煙氣對鋼的內(nèi)表面的傳熱量Q2，校核Q1與Q2的相對誤差不超過0.2%，認(rèn)為計(jì)算合格。根據(jù)計(jì)算出的煙氣溫降算出煙氣冷凝液的放熱量，將冷凝液的放熱量迭代到Q2重新計(jì)算煙氣在煙囪出口的溫度，當(dāng)煙氣溫降與上一次迭代溫降的相對誤差小于0.5%，認(rèn)為結(jié)果收斂[9]。

由于經(jīng)驗(yàn)公式法有一定的適用條件，為了得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，采用傳熱學(xué)方程計(jì)算作為計(jì)算煙囪散熱溫降的方法。

(3) 煙囪的漏風(fēng)溫降Δθle。

當(dāng)煙囪或煙囪入口煙道呈負(fù)壓運(yùn)行而存在漏風(fēng)時(shí)，所引起的漏風(fēng)溫降為:

(3)

式中：ΔLs為漏風(fēng)率；ta為環(huán)境溫度， ℃。

由于計(jì)算的煙囪為鋼內(nèi)襯，無漏風(fēng)，所以漏風(fēng)溫降Δθle=0 K。

3.1.2 煙囪內(nèi)冷凝液量

(1) 公式法。

濕煙氣的冷凝液量以排煙筒熱工計(jì)算所得到總溫降Δθgs為基礎(chǔ)，按熱平衡方程來估計(jì)濕煙囪內(nèi)的冷凝液生成量[2]：

ΔGgs=1.43cp″·Vgs·Δθgs

(4)

式中：ΔGgs為飽和濕煙氣在排煙筒內(nèi)所形成的冷凝液量，kg/h；Vgs為流經(jīng)排煙筒的飽和濕煙氣量，m3/s；Δθgs為排煙筒總溫降，K；cp″為增濕煙氣的比定壓熱容,kJ/(m3·K)。

(2) 根據(jù)煙氣的特性。

根據(jù)脫硫塔計(jì)算準(zhǔn)則算出煙囪進(jìn)口處煙氣的含濕量，由煙氣出口溫度和煙囪出口濕飽和參數(shù)，可以算出煙囪出口處煙氣含濕量，進(jìn)出口含濕量的差值則是在煙囪內(nèi)煙氣的冷凝液量。

由于公式法有特定的使用范圍，只適用于磚內(nèi)襯的小煙囪，不適合用于百萬機(jī)組的鋼內(nèi)襯煙囪；且公式法中的冷凝液量是指煙囪內(nèi)疏水裝置收集起來的凝結(jié)量，并不是實(shí)際冷凝的凝結(jié)液量。為了得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果，筆者根據(jù)煙氣特性來計(jì)算冷凝液量。

3.2 結(jié)果分析

不同工況、不同環(huán)境溫度下煙囪內(nèi)冷凝液量變化見圖1。

圖1 不同工況、不同環(huán)境溫度下煙囪內(nèi)冷凝液量

由圖1可以得出：在同一工況下，煙囪內(nèi)的冷凝液量隨環(huán)境溫度的降低而明顯增多，冬季冷凝液量>過渡季冷凝液量>夏季冷凝液量。冷凝液量取決于煙囪內(nèi)的總溫降，其中由于煙囪無漏風(fēng)，所以漏風(fēng)溫降為零，溫降是由大氣壓力隨高度的變化而引起的熱力學(xué)溫降和煙氣散熱引起的散熱溫降組成。不同工況和不同環(huán)境溫度下，熱力學(xué)溫降相差并不大，所以對煙囪冷凝量影響最大的是煙囪的散熱溫降。冬季的環(huán)境溫度較低，較低環(huán)境溫度導(dǎo)致煙氣流經(jīng)煙囪時(shí)的散熱較多，散熱溫降較大，所以冬季冷凝量明顯多于過渡季和夏季。夏季的環(huán)境溫度較高，流經(jīng)煙囪的煙氣與外界環(huán)境的溫壓較小，散熱少，冷凝液量也較少。

由圖1同樣可以得出：在同一環(huán)境溫度下，不同負(fù)荷下煙囪內(nèi)冷凝液量也明顯不同。THA工況冷凝液量>75% THA工況冷凝液量> 50%THA工況冷凝液量>30%BMCR工況冷凝液量。主要原因是：在高負(fù)荷時(shí)，燃煤量增多，冷凝液量較多；其次，煙氣流量隨著負(fù)荷的升高而增大，在較高負(fù)荷時(shí)，煙囪內(nèi)的煙氣流量增大，煙氣流速增加，換熱效果較好，散熱量多，散熱溫降較大，總溫降主要也是受散熱溫降的影響較大。所以，煙囪內(nèi)的冷凝液量隨負(fù)荷的升高而增多。

4 機(jī)組不發(fā)生白煙的溫度

4.1 工程背景

擬采用管式GGH方案[10]來防止白煙的發(fā)生。為了校核煙氣的熱量是否能夠使煙囪出口溫度達(dá)到不發(fā)生白煙的溫度，以確定是否需要引入其他熱源來保證不發(fā)生白煙，所以需計(jì)算該工程不發(fā)生白煙的溫度，其主要工藝系統(tǒng)圖見圖2。

圖2 管式GGH的系統(tǒng)流程圖

該系統(tǒng)中設(shè)置了兩臺(tái)煙氣-水換熱器：煙氣冷卻器和煙氣加熱器。以水為媒介，原煙氣首先進(jìn)入煙氣冷卻器，冷卻到90 ℃左右，進(jìn)入脫硫吸收塔；從脫硫塔出來50 ℃左右的凈煙氣再通過煙氣加熱器升溫到80 ℃左右進(jìn)入煙囪。水媒介在煙氣冷卻器中升溫，通過水泵送入煙氣加熱器降溫，循環(huán)運(yùn)行。

4.2 結(jié)果分析

夏季、冬季和過渡季由于環(huán)境溫度和大氣壓力的不同，所以飽和等濕摩爾曲線略有不同，但基本相似。環(huán)境濕度都在80%左右，影響不大，對環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)影響最大的因素是環(huán)境溫度。由于算出白煙不發(fā)生溫度的原理是由環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)向濕度為100%的等濕摩爾曲線作切線，所以冬季的較低溫度導(dǎo)致作出切線的斜率較小，從而可能得出較高的不發(fā)生白煙的溫度。不同工況、不同環(huán)境溫度下白煙不發(fā)生的溫度變化見圖3。

圖3 不同工況、不同環(huán)境溫度下白煙不發(fā)生的溫度

由圖3可以得出：采取吸收塔出口的煙氣與未經(jīng)處理的煙氣混合，或與高溫燃燒氣混合和設(shè)置管式GGH的方案都能有效防止白煙發(fā)生。相對夏季和過渡季，冬季由于環(huán)境溫度較低，極易發(fā)生白煙現(xiàn)象。所以，在采取防止白煙發(fā)生的措施時(shí)，計(jì)算出冬季不發(fā)生白煙的溫度很高，達(dá)到了130 ℃左右；而夏季只要吸收塔出口煙氣溫度達(dá)到60～70 ℃就可以有效防止白煙的發(fā)生。若對已有的濕煙囪進(jìn)行改造來防止白煙發(fā)生，可對比幾種方案的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選擇。采用管式GGH的方案效果較好，但運(yùn)行中也存在嚴(yán)重的積灰和腐蝕問題。采用管式GGH后的煙氣出口溫度在70～80 ℃，在夏季和過渡季可防止白煙發(fā)生，但在冬季需要引入其他熱源來防止白煙現(xiàn)象的發(fā)生。

5 結(jié)語

(1) 濕煙氣在煙囪中生成冷凝液主要是由于煙氣的溫降引起的，機(jī)組在高負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，煙氣量較多使得煙囪內(nèi)生成的冷凝液量較多；不同環(huán)境溫度下的散熱溫降相差較大，導(dǎo)致不同環(huán)境溫度下的冷凝液量有很大的不同，所以冬季冷凝液量高于過渡季和夏季。

(2) 由于白煙的發(fā)生受環(huán)境溫度影響很大，設(shè)置管式GGH在夏季和過渡季能有效防止白煙現(xiàn)象的發(fā)生，但是由于冬季不發(fā)生白煙現(xiàn)象所需要的煙氣排放溫度較高，僅靠管式GGH并不能滿足要求，需要根據(jù)實(shí)際情況綜合多項(xiàng)因素以其他方式引入熱源來消除白煙。

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ResearchonGypsumRainReductionofa1000MWCoal-firedPlantChimney

Xu Jing1， Duan Yufeng1， Feng Yanlei2， Sun Jianrong3

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China； 2. East China Electric Power Design Institute, Shanghai 200063, China; 3. Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

2016-12-02；

2016-12-23

許 靜(1992—)，女，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槿济捍髿馕廴疚锟刂萍夹g(shù)。

E-mail: 220140360@seu.edu.cn

X513

A

1671-086X(2017)05-0344-04